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1、摘 要 摘 要无线传感器网络路由算法设计是当前各高校研究的热点课题之一，由于传感器节点受到体积和成本等因素的限制，节点的能量和存储空间都非常有限。本文对移动sink节点的无线传感器网络做了系统分析，并结合蚁群算法中的信息素思想提出了一种适应于网络拓扑结构快速变化的信息素标识算法。通过模拟仿真得知此算法相对于其他无线传感器网络算法具有更高的数据传输成功率、较长的网络寿命以及较低的数据传输延时。关键词：无线传感器网络 移动sink节点 信息素27摘 要ABSTRACTWSN routing algorithm design is one of the hot topics of the resea
2、rch, the sensor nodes is limited by factors such as size and cost, energy storage space of the nodes are very limited. Mobile sink node in WSN, systems analysis, combined with the ideology of the pheromone in the ant colony algorithm pheromone identify the algorithm adapt to rapidly changing network
3、 topology. Learned through the simulation of this algorithm compared to other WSN algorithm has a higher data transfer success rate, a longer network lifetime and lower data transmission delay. Key Words: Wireless Sensor NetworkS；ant colony algorithm；mobile sink； 目 录目录第1章 引言11.1选题背景及意义11.2国内外的研究现状21
4、.3课题的难点、重点、核心问题及方向3第2章 无线传感器网络组成结构52.1无线传感器网络结构52.2无线传感器网络节点的限制52.3无线传感器网络的特点72.4路由协议的特点9第3章 关于移动sink节点的一种路由算法113.1 问题描述113.2数据收集113.3 网络模型123.4 算法构建123.5 队列管理15第4章 模拟仿真174.1仿真环境174.2对比算法简介184.3默认参数时性能对比184.4节点密度对性能影响194.5通信半径对性能影响224.6储存队列对性能影响244.7本章小结25第5章 全文总结275.1总结275.2论文的不足27参考文献28致 谢29附录24参考
5、文献第1章 引言1.1选题背景及意义随着半导体技术和通信技术的发展，我们已经由PC时代和网络时代，进入后PC时代。自MarK Weiser在1991年首次提出普适计算(Ubiquitous Computing)思想以来，普适计算作为2l世纪的计算模式，日益受到人们的关注和重视。其中，无线传感器网络技术是普适计算思想大系统中的一个典型应用。无线传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。无线传感器网络能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传
6、送到用户终端，从而真正实现普适计算的理念。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值，已经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，并成为进入2000年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。在军事领域中，无线传感器网络多用于恶劣地形或敌控区的侦察工作，W无线传感器网络节点一经部署就无法补充能量，故而无线传感器网络节点必须体积小、工作时间长、抗干扰和入侵能力强。在工业控制领域中，无线传感器节点一般是可以设计安放在固定位置上的
7、，除了监测目标内部信息的情况之外，一般没有隐蔽性的要求，甚至可以对每个节点进行电池的更换，所以在工业控制领域中对无线传感器节点的体积和电池工作时间要求并不严格，在通信手段的选择上也相应较为灵活。但工业控制领域一般要求无线传感器对周围环境的变化要足够敏感，同时要在高噪音、高湿度、高温、高气压以及重粉尘、重油污等恶劣情况下仍然可以正常工作。在环境监测领域中，无线传感器节点一般不会有很大的位移，故而节点体积也可以不必做得太小，但是对于节点的材质有很高的要求，一般都要求节点在任何情况下都不会污染环境，这样一般就需要采用环保型甚至可以生物降解材料的电子元件来制造节点，节点的成本会增加。在医学领域中，无线
8、传感器的功能是实时测量和监测人体的生理数据，随着人的活动，无线传感器节点之间的相对位移十分频繁，无线传感器节点位移的距离远大于节点自身的大小，且带有强烈不规则性。把不同应用领域内对无线传感器的体积、节能、规模、实时性、材料、信息安全等属性的要求进行对比分析，可以得到表1.1。表1.1 应用于不同领域的无线传感器网络节点属性要求体积能量可回收实时性材料信息安全军事毫米级数月不可强抗干扰强工业无限制数月可以中无特殊中灾害监测无限制数月/数年可以/不可强无特殊中环境监测无限制数月可以中无污染中人体体外厘米级数天可以强无特殊中人体体内大分子级数小时不可中抗排斥中通过表1-1可以看出，无线传感器网络路由
9、算法的设计需要针对其即将应用的领域和执行的任务的特性来设计。即为每一种应用场景设计最契合要求的算法，这是最理想的状态。1.2国内外的研究现状无线传感器网络的研究起始于20世纪90年代末期。由于无线传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。自2000年起，国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道，美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国英特尔公司、微软公司等信息业巨头也开始了传
10、感器网络方面的研究工作。同本、德国、英国、意大利等科技发达国家也对无线传感器网络表现出了极大兴趣，纷纷展开了该领域的研究。但是，目前大部分的研究尚处于起步阶段，少数投入实用的商业产品距离实际需求还相差甚远。我国在传感器网络方面的研究工作还很少，目前，国内一些高等院校与研究机构已积极开展无线传感器网络的相关研究工作，主要有清华、中科院软件所、浙江大学、哈尔滨工业大学、中科院自动化所、中国人民大学等。目前国内研究热点主要集中在穿戴式计算、上下文感知环境、智能教室等领域，在支持无线传感器网络的无线通信网络技术的研究尚不多见。随着无线传感嚣网络应用的日益发展与不断深入，支持无线传感器网络的无线通信网络
11、技术、超微型嵌入式实时操作系统等若干关键技术的研究将成为未来无线传感器网络应用的发展趋势和热点。 1.3课题的难点、重点、核心问题及方向 要设计出优秀的无线传感器网络路由算法，就不得不对无线传感器网络路由算法的约束做研究。经过分析、归纳、总结，无线传感器网络路由算法的约束主要有以下三类。（1）能量约束从无线传感器网络发展的现状中可以看到，目前无线传感器元件一般是以电池作为能源进行工作的。当电池能源耗尽的时候，无线传感器元件就将丧失工作能力，从而退出网络并被废弃或者直到其更换新的电池为止；当一个WSN 中的多个无线传感器节点能源耗尽时，该WSN 的传输能力就将大大下降，同时会增加其他信道上的流量
12、从而加剧其他无线传感器节点的能量消耗；研究表明，当约四分之一的无线传感器节点能源耗尽的时候，该WSN 就将濒临瘫痪。如果无线传感器网络各节点是部署在不可充电的环境中，则能量消耗方面的因素直接决定着无线传感器网络的寿命。在这种情况下，节能将会成为算法设计中的要点。 （2）算法特性约束无线传感器网络路由协议由泛洪、直接传输二种协议发展而来，目前有基于拓扑信息等几大类。每种协议不可避免地会在某些方面有所不足。泛洪协议是指向其传输范围内的每一个节点均转发数据，这样必然会有一条路径使得数据最快到达，虽然这样最快，但是消耗能量过多，同时过度占用了网络资源，故而泛洪协议的应用范围有限。直接传输协议是指每个节
13、点仅向sink节点传输数据，不与其他任何普通节点进行数据传输，这样虽然最省能源，也避免了信息内爆，但是发送时间最慢，而且数据发送失败的几率很大，故而直接传输协议的应用范围更小。基于拓扑信息的协议是将整体或者局部的拓扑信息保存在节点上，当数据到来时利用已知的拓扑信息来进行计算，从而确定最佳的转发路径，这样的协议虽然具有很快的速度和较低的能源消耗，但是需要花费一定的代价去维护拓扑表，而且这种维护并非是一劳永逸的，当环境发生改变，或者某些无线传感器的能源耗尽后，原有的拓扑结构可能会发生变化，可能会失去一些信道，可能会由于某些点的缺失或者Sink 节点的重新选择而造成拓扑结构的效率低下，故而需要定期重
14、新优化拓扑结构。有些路由协议本身具有某一方面的不足之处，例如基于地理位置信息的路由算法以每个传感器元件的地理位置作拓扑，其理论上只向最接近理想传输方向的节点传输信息，但一旦遇到了无线传感器节点部署中受到环境的限制而不可避免形成的空洞部分，如水塘等，而理想传输方向又只能延伸到一个死胡同方向时，这条信息将传进死胡同，而无法继续传输。所幸的是目前流行的每种无线传感器网络路由算法都会针对其基础算法的“先天不足”作出相应的修改和补充以弥补缺点，达到较好的效果。路由协议无疑是当前无限传感器网络研究的热点之一，由于WSN 具有资源受限的特性，故而在其路由协议方面，同样要求非常苛刻。故而，只有针对特定的应用背
15、景设计路由协议，才可能实现信息传输的高效。目前，WSN 路由协议研究还有一些根本性的问题需要进一步地研究、解决。第2章 无线传感器网络组成结构2.1无线传感器网络结构无线传感器网络由两种节点组成：传感节点、汇聚节点。如图2.1所示。传感节点负责将传感器采集到的传感数据通过多跳路由转发传送到汇聚节点。传感器节点具有传统网络节点终端和路由的双重功能，除进行本地信息收集和处理外，还对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合，与其它节点协作完成一些特定任务。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它既可以是具有增强功能的传感器节点，有足够的能量和更多的内存与计算能力，也可以是带有无线通信接口的特殊网关设备。它连接传感器网络与Internet等外部网络，通过协议转换实现管理节点与传感器网络之间的通信，发布管理节点的监测任务，同时将收集的数据转发到外部网络。图2.1无限传感器网络结构图2.2无线传感器网络节点的限制 （1） 电源能量有限传感器节点体积
